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化工學(xué)報(bào)|一種抑制隧道排水管道中結(jié)晶體形成的雙層阻垢疏水涂層
發(fā)布時(shí)間：2025-08-15      
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一種抑制隧道排水管道中結(jié)晶體形成的雙層阻垢疏水涂層


胡家瑋 王聰劉美婧


（蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

DOI：10.11949/0438-1157.20241325

引 言

在隧道建設(shè)與運(yùn)維中，結(jié)晶堵塞是導(dǎo)致襯砌開裂、漏水等問(wèn)題的主要原因之一，這嚴(yán)重影響了工程安全[1]。結(jié)晶堵塞的誘因較為復(fù)雜，既有結(jié)晶物內(nèi)部組分的因素，也有排水管中溶液特性、環(huán)境因素、工程因素等[2]。當(dāng)前，學(xué)者們已經(jīng)針對(duì)隧道結(jié)晶問(wèn)題進(jìn)行了初步的研究。例如，于清浩[3]通過(guò)建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)防排水系統(tǒng)的堵塞情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)，探討了不同位置排水管的流速、流量和沉積情況等因素對(duì)結(jié)晶堵塞的影響。Hyuksang等[4]提出，結(jié)晶堵塞問(wèn)題可能是水中成垢離子導(dǎo)致的。田崇明等[5]從結(jié)晶體生成和沉積堵塞的角度分析了隧道排水系統(tǒng)堵塞的成因，發(fā)現(xiàn)排水系統(tǒng)的結(jié)晶堵塞主要與地下水類型、工程因素、噴射混凝土的種類以及排水管內(nèi)溶液的離子成分密切相關(guān)。
傳統(tǒng)隧道排水管道阻垢方法存在成本高、時(shí)間消耗大、環(huán)境污染、難以長(zhǎng)期維持和阻垢效果不佳等問(wèn)題[6-9]。如聚氨酯[10]、硅橡膠和環(huán)氧樹脂[11]雖然具備防腐、耐磨和耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，但仍存在一些不足之處，包括性能單一，無(wú)法有效解決結(jié)晶堵塞問(wèn)題，以及易于腐蝕和結(jié)垢。這些缺點(diǎn)限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的效果，亟需開發(fā)更加多樣化和高性能的材料，以提高其耐用性和適應(yīng)性，從而更好地應(yīng)對(duì)復(fù)雜的環(huán)境條件和挑戰(zhàn)。
為解決這些問(wèn)題，應(yīng)探索經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保的新技術(shù)，以有效降低成本、提升效率，減少對(duì)環(huán)境的影響，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的長(zhǎng)期有效維護(hù)，確保其暢通無(wú)阻。近年來(lái)，疏水類材料[12]在管道中的應(yīng)用逐漸受到關(guān)注，有研究表明，疏水材料所形成的疏水基面，能在一定程度上緩解碳酸鈣結(jié)晶體的附著[13]。Huang等[14]指出，增強(qiáng)材料的疏水性可以有效減少石膏結(jié)垢，這為研發(fā)以抑制碳酸鈣為主要結(jié)晶體的疏水材料提供了理論基礎(chǔ)。Wen等[15]通過(guò)在低速水流的圓柱體中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出在隧道中應(yīng)用疏水材料可減少水流對(duì)管道的沖刷和侵蝕，有助于提高隧道運(yùn)行安全性，為疏水材料引入隧道排水管道中提供了理論依據(jù)。Saji[16]將疏水二氧化硅納米顆粒噴涂在塑料基板上，基板表面均表現(xiàn)出超疏水性，因此可以考慮將疏水材料引入隧道排水高密度聚乙烯(HDPE)管內(nèi)部，來(lái)減少結(jié)晶的附著。也有研究表明，引入具有緩釋阻垢性能的材料能在抑制碳酸鈣形成方面持續(xù)釋放70 d以上，且具有持續(xù)阻垢的能力[17]。其中，氨基磺酸作為一種強(qiáng)酸性物質(zhì)，在工業(yè)清洗和水處理領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，其卓越的清洗效果使其備受青睞[18]；EDTA在水處理和工業(yè)清洗中能夠與金屬離子形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，尤其在控制鈣、鎂等二價(jià)金屬離子方面表現(xiàn)出色[19]；水解聚馬來(lái)酸酐則因其在提升水處理效率和抑制碳酸鹽垢形成方面的能力而備受關(guān)注[20]。并且，有研究指出[21]，通過(guò)添加功能性緩釋磷脂膜，改善水性材料的阻隔性能，可以使材料具有優(yōu)異的緩釋和防垢性能，提高其功能性。目前，關(guān)于混凝土基面疏水和阻垢性能的研究已經(jīng)取得了豐富的成果。例如，滬寧高速公路和沈陽(yáng)至大連高速公路的隧道工程中，通過(guò)應(yīng)用疏水材料有效減少了水分對(duì)結(jié)構(gòu)的侵蝕，從而保障了交通安全。然而，針對(duì)排水管道內(nèi)部抑制結(jié)晶體形成的雙層阻垢疏水涂層[22]的研究相對(duì)較少，這一領(lǐng)域仍有很大的探索空間。因此，考慮引入雙層阻垢疏水涂層至隧道排水管道中，以抑制結(jié)晶體的形成，并利用Ansys fluent軟件仿真模擬，根據(jù)磨損率判斷在流體沖刷下該種材料是否同樣具備效果[23]。與傳統(tǒng)的疏水材料相比，雙層阻垢疏水涂層通過(guò)減少水分和雜質(zhì)的積聚，可以解決單一材料性能的不足，顯著提升管道對(duì)結(jié)晶體的阻垢性能和耐久性能。這種改進(jìn)對(duì)于應(yīng)對(duì)隧道排水管道內(nèi)部的結(jié)晶堵塞問(wèn)題至關(guān)重要，有助于保障隧道工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
基于以上分析，本文研發(fā)了一種新型雙層阻垢疏水涂層，旨在解決管道中因結(jié)晶堵塞導(dǎo)致的襯砌開裂和漏水問(wèn)題。該種雙層阻垢疏水涂層由兩層組成，內(nèi)層采用疏水涂層防止結(jié)晶附著，外層采用阻垢涂層抑制結(jié)晶體形成，這為開發(fā)一種更高效、環(huán)保且經(jīng)濟(jì)的隧道結(jié)晶控制技術(shù)提供了新思路。

1 依托工程概況

本研究的依托工程是甘肅省康略高速公路毛埡山隧道。隧址海拔為1209.5~1846.0 m，屬構(gòu)造剝蝕低中山區(qū)地貌；隧道為整體式明洞襯砌和復(fù)合式襯砌結(jié)合，初期支護(hù)和二次襯砌之間鋪設(shè)排水管道和防水卷材，最大埋深約170 m，全長(zhǎng)3180 m。實(shí)驗(yàn)樣品取自毛埡山隧道LK3+080~+330段，分段長(zhǎng)度250 m，埋深50~170 m。

1.1 結(jié)晶體成分分析

結(jié)晶體呈乳白色，表面光滑（圖1）。結(jié)晶過(guò)程早期黏稠，呈條狀或傘面狀分布，主要出現(xiàn)在初期支護(hù)噴射混凝土排水管內(nèi)；后期逐漸聚集并硬化，在排水管內(nèi)部以塊狀形態(tài)堵塞排水管。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的結(jié)晶體樣品進(jìn)行了X射線光電子能譜（EDS）分析，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。
圖1   現(xiàn)場(chǎng)取樣Fig.1   On-site sampling

表1   結(jié)晶體樣品元素種類Table 1   Crystal sample element species


使用Apreo S掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)結(jié)晶樣品進(jìn)行分析，觀察其微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖2所示。圖2顯示，結(jié)晶形貌以不規(guī)則方形為主，還包含紡錘形、菱形和球形等，屬于典型的方解石晶型。其積聚模式多為塊狀，且在不同隧道環(huán)境中，結(jié)晶材料的晶粒構(gòu)造和積聚模式存在顯著差異。
圖2   結(jié)晶樣品掃描電子顯微鏡照片Fig.2   Scanning electron microscope analysis of crystal sample
使用PANalytical Aeris臺(tái)式X射線衍射儀對(duì)結(jié)晶樣品進(jìn)行X射線衍射譜圖分析，確定了該樣品的主要成分及其含量占比，結(jié)果如圖3所示，表明其中絕大部分為碳酸鹽結(jié)晶。
圖3   結(jié)晶樣品X射線衍射譜圖分析Fig.3   X-ray diffraction analysis of crystal samples
如圖3所示，結(jié)晶樣品中主要成分是CaCO3。根據(jù)Jong-Hwi等[24]、Higashitani等[25]的研究結(jié)果，碳酸鈣晶體可分為球霰石、文石、方解石，因此需要繼續(xù)分析樣品。結(jié)合Nebel等[26]的研究，文石的XRD衍射譜圖會(huì)在衍射角為26°和46°時(shí)顯示主峰峰值點(diǎn)，方解石則在29°時(shí)顯示主峰峰值點(diǎn)，而圖3中的XRD衍射譜圖在29°時(shí)顯示主峰峰值點(diǎn)，在26°和46°處均不顯示峰值點(diǎn)，表明本文結(jié)晶樣品以方解石為主。
結(jié)合前述，說(shuō)明隧道排水管結(jié)晶堵塞物質(zhì)主要是方解石型碳酸鈣。

1.2 水樣分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，隧道排水管所在地區(qū)為非碳酸鹽巖區(qū)，地下水屬于基巖裂隙水（見(jiàn)表2）。其中，Ca2?和Mg2?的平均濃度分別為16.46 mg/L和8.67 mg/L，而的平均濃度高達(dá)208 mg/L，這為結(jié)晶離子的接觸提供了條件。

表2   毛埡山隧道排水管水樣分析Table 2   Maoyashan tunnel drainage pipe water sample analysis


2 實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)藥劑

本實(shí)驗(yàn)所用主要實(shí)驗(yàn)藥劑見(jiàn)表3，主要實(shí)驗(yàn)儀器見(jiàn)表4。

表3   實(shí)驗(yàn)藥劑Table 3   Experimental reagents


表4   實(shí)驗(yàn)儀器Table 4   Experimental instruments


3 實(shí)驗(yàn)方法

3.1 研發(fā)思路

本研究致力于開發(fā)一種新型雙層阻垢疏水涂層，目標(biāo)是抑制隧道中以方解石型碳酸鈣為主要成分的結(jié)晶體的形成。在管道應(yīng)用中，阻垢外層首先通過(guò)化學(xué)作用抑制管道內(nèi)結(jié)晶體的形成；當(dāng)這一層的作用發(fā)揮完畢后，疏水內(nèi)層通過(guò)物理作用防止細(xì)小結(jié)晶體附著于管壁。具體的開發(fā)方案包括以下幾個(gè)步驟（圖4）。
圖4   雙層阻垢疏水材料研發(fā)流程Fig.4   Double layer scale and hydrophobic material development flow chart
（1）制備疏水內(nèi)層
將制備好的疏水內(nèi)層黏附于管壁，以防止結(jié)晶體的附著。同時(shí)，觀察液滴流經(jīng)管壁接觸面時(shí)是否能夠帶走細(xì)小結(jié)晶物。
（2）附著阻垢外層
在疏水內(nèi)層表面附著具有緩釋功能的阻垢外層。這一層在與管道中的水接觸后，會(huì)逐漸釋放阻垢劑，并與水中易于結(jié)晶的離子發(fā)生反應(yīng)，有效防止碳酸鈣類結(jié)晶體的形成。
（3）材料測(cè)試
最后，將單層和雙層阻垢疏水涂層分別附著于管材內(nèi)壁，并進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)。
這些實(shí)驗(yàn)旨在驗(yàn)證雙層阻垢疏水涂層在疏水性和阻垢性方面的效果是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，通過(guò)這種雙層結(jié)構(gòu)，期望實(shí)現(xiàn)一種既能有效阻垢又能保持疏水性能的新型管道涂層。
疏水內(nèi)層具體原理：通過(guò)疏水內(nèi)層表面呈現(xiàn)出對(duì)液滴較強(qiáng)的抗?jié)駶?rùn)性能，使液滴在其表面上幾乎不展開，從而減小液滴與涂層表面的接觸面積，阻礙液體的滲透，液滴在流動(dòng)的同時(shí)帶走管材內(nèi)壁表面的細(xì)小結(jié)晶顆粒，即疏水的同時(shí)具有自清潔性能（圖5）。
圖5   疏水內(nèi)層作用示意圖Fig.5   Composite paint inner layer action diagram
阻垢外層具體原理：管道中的結(jié)晶體是由于堿性環(huán)境中的Ca2+和發(fā)生反應(yīng)生成的。通過(guò)選擇適宜的阻垢劑，與具有緩釋性能的膠材料進(jìn)行充分混合，與水中的Ca2+和反應(yīng)，以達(dá)到緩慢且長(zhǎng)期釋放藥劑、減少結(jié)晶體生成的作用（圖6）。
圖6   阻垢外層作用示意圖Fig.6   Scale inhibition outer layer action diagram

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

隧道排水管道的管材為HDPE管，內(nèi)部凹面，這使得在材料研發(fā)過(guò)程中難以觀察。因此，制作規(guī)格為30 mm × 60 mm × 5 mm的PE方片，并使用120目（0.12 mm）的砂紙進(jìn)行打磨，以盡可能模擬實(shí)際工程中管材的粗糙度，用于后續(xù)研發(fā)過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)基板。
3.2.1 疏水內(nèi)層制備方法
通過(guò)增稠增強(qiáng)劑（納米二氧化硅[27]）提高材料的密度分布和黏度性能；使用稀釋劑（四氫呋喃）調(diào)節(jié)材料流動(dòng)性；利用溶劑揮發(fā)劑促進(jìn)材料分散，并在材料成膜后揮發(fā)；使用界面活性劑提高材料的潤(rùn)濕性和涂覆性能，并通過(guò)與固化劑（有機(jī)錫）進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)[28]，形成耐久且高效的涂層。
（1）材料組分選擇實(shí)驗(yàn)
①確定溶劑揮發(fā)劑。0.1 g的疏水納米二氧化硅作為基礎(chǔ)增稠增強(qiáng)劑，四氫呋喃作為稀釋劑，乙醇、異丙醇和甲酸作為提高材料附著性和流動(dòng)性的溶劑揮發(fā)劑。通過(guò)觀察方片表面的狀態(tài)以及在光學(xué)顯微鏡下材料顆粒和紋理的分布情況，確定稀釋劑與溶劑揮發(fā)劑的最佳混合比例。
②確定界面活性劑[29]。選擇鈦酸酯偶聯(lián)劑和硅烷偶聯(lián)劑作為界面活性劑的備選藥劑。是因?yàn)檫@兩種藥劑可以與納米二氧化硅表面的羥基反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，從而提高涂層的分散性和附著力，改善無(wú)機(jī)顆粒與有機(jī)聚合物之間的界面相容性，增強(qiáng)涂層的整體性能和穩(wěn)定性。通過(guò)觀察PE方片表面的分散情況，確定最佳界面活性劑。
③確定最佳增稠增強(qiáng)劑含量。在確定溶劑揮發(fā)劑和界面活性劑后，采用單因素實(shí)驗(yàn)法調(diào)整納米二氧化硅的含量，并通過(guò)表面觀察法和顯微鏡觀察法來(lái)確定最佳增稠增強(qiáng)劑的含量。
（2）疏水內(nèi)層性能檢測(cè)
檢測(cè)帶有疏水內(nèi)層材料的PE方片的接觸角和滾動(dòng)角（圖7），是否滿足接觸角在90°~150°，滾動(dòng)角在0°~30°，以判斷是否滿足疏水性能。
圖7   接觸角、滾動(dòng)角測(cè)量過(guò)程Fig.7   Contact angle, rolling angle measurement process
3.2.2 阻垢外層制備方法
為抑制結(jié)晶體的形成，主要采用具有阻垢性能的功能藥劑。這些藥劑能夠與水樣中的Ca2?和發(fā)生反應(yīng)，從而阻止這兩種離子結(jié)合，防止方解石型碳酸鈣結(jié)晶體的生成。選擇EDTA、氨基磺酸、水解聚馬來(lái)酸酐、PVP和PEG作為備選阻垢劑，這些藥劑的選擇依據(jù)其特性和效果進(jìn)行，如EDTA、PVP和PEG能與鈣離子絡(luò)合,防止結(jié)晶體生成，氨基磺酸能夠預(yù)防且去除垢類物質(zhì)，對(duì)生態(tài)具有安全性，水解聚馬來(lái)酸酐不僅穩(wěn)定且阻垢；選擇聚乙烯醇、海藻酸鈉和殼聚糖作為膠材料的備選藥劑，聚乙烯醇因其優(yōu)異的黏合性和水溶性而受到青睞，而海藻酸鈉和殼聚糖則是天然來(lái)源的環(huán)保材料。此外，它們均具有良好的強(qiáng)度和耐水性，在膠材料領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。將阻垢溶劑與膠材料混合，保護(hù)疏水內(nèi)層的同時(shí)發(fā)揮阻垢作用，提高材料的功能性。
（1）阻垢溶劑選擇
分別測(cè)試氨基磺酸、EDTA[30]、PEG、PVP和水解聚馬來(lái)酸酐的阻垢效果，選擇阻垢性能較好的幾種藥劑進(jìn)行不同比例的混合實(shí)驗(yàn)，制備阻垢溶劑。評(píng)估每組阻垢溶劑的阻垢性能，并與單獨(dú)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行比較。根據(jù)阻垢性能的評(píng)估結(jié)果，選擇具有最佳阻垢性能的阻垢溶劑。
（2）膠材料選擇
在水浴鍋中95℃加熱40 min，將聚乙烯醇與殼聚糖和海藻酸鈉以不同比例進(jìn)行混合，待充分混合后通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)計(jì)算其斷裂伸長(zhǎng)率，以確定膠材料的最佳配比。
斷裂伸長(zhǎng)率是指樣品在斷裂前的拉伸過(guò)程中延展的程度，性能好的膠斷裂伸長(zhǎng)率一般較高，通常在100%以上。計(jì)算斷裂伸長(zhǎng)率的公式如下：

(1)
式中，斷裂長(zhǎng)度是膠材料在拉伸測(cè)試中斷裂時(shí)的長(zhǎng)度；原始長(zhǎng)度是膠材料的初始長(zhǎng)度。

3.3 模擬實(shí)驗(yàn)

根據(jù)實(shí)測(cè)管道LK3+154中水樣成分（放大100倍）配制500 ml模擬實(shí)驗(yàn)用水。根據(jù)實(shí)際工程中的環(huán)境進(jìn)行為期30 d的模擬實(shí)驗(yàn)（靜態(tài)+動(dòng)態(tài)），以研究該雙層材料在管道中抑制結(jié)晶體形成的效果。
3.3.1 雙層阻垢疏水涂層靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)
雙層阻垢疏水涂層的靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)旨在驗(yàn)證涂層在完全耗損前的有效性，并探討阻垢外層對(duì)疏水內(nèi)層的影響。實(shí)驗(yàn)在確保有足夠易結(jié)晶離子的環(huán)境中進(jìn)行，以評(píng)估涂層是否能達(dá)到預(yù)期的預(yù)防結(jié)晶效果。
具體方法為：將雙層阻垢疏水涂層附著至PE方片表面（圖8）。期間，用紅色墨水點(diǎn)涂在已經(jīng)制備好的疏水內(nèi)層PE方片表面，如圖8(a)所示，該疏水內(nèi)層已經(jīng)具備一定的物理涂層性能，并用烘箱進(jìn)行烘干；之后附著阻垢外層，如圖8(b)所示，烘干后固定于模擬管道環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
圖8   PE方片附著情況Fig.8   PE square smear situation
通過(guò)觀察水樣中紅色墨水的變化情況，以及接觸角和滾動(dòng)角度，判斷阻垢外層是否會(huì)影響疏水內(nèi)層的作用效果。
3.3.2 單層靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)
單層靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)旨在研究排水管道環(huán)境中，所選疏水內(nèi)層和阻垢外層在完全截留水流中易結(jié)晶離子的情況下，是否具有優(yōu)異的疏水和阻垢性能。
具體方法為：選用壁厚為2 cm、長(zhǎng)15 cm的HDPE管。取三組并截開管道橫截面的1/4處（便于觀察管材內(nèi)部結(jié)晶形成效果），留3/4進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，并用硅橡膠（HG/T 3947—2007單包裝室溫固化硅橡膠）和膠帶在兩側(cè)進(jìn)行包封。
1號(hào)管材為原始界面；2號(hào)管材為附著有疏水內(nèi)層的界面；3號(hào)管材為附著有阻垢外層的界面。向管段內(nèi)添加500 ml的人工配制實(shí)驗(yàn)用水，觀察疏水內(nèi)層和阻垢外層相較于原始管材界面是否具有防結(jié)晶性能和阻垢性能。
疏水內(nèi)層防結(jié)晶率和阻垢外層阻垢率計(jì)算公式如下：

(2)

(3)
若防結(jié)晶率和阻垢率大于70%，則雙層涂層的結(jié)晶和防垢效果性能優(yōu)異，可用于后續(xù)雙層材料的研究。
3.3.3 單層動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)
（1）裝置模擬
動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)旨在盡可能真實(shí)地模擬工程應(yīng)用條件，簡(jiǎn)易裝置如圖9。考慮到已測(cè)得的隧道排水管道流速為0.09 m/s和0.12 m/s，并且排水管全程存在較大誤差，故選擇0.2 m/s作為流速。此流速不僅高于已知數(shù)據(jù)，覆蓋了潛在誤差，還能評(píng)估管道在較高流速下的排水性能，預(yù)防堵塞問(wèn)題。
圖9   動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)裝置Fig.9   Diagram of dynamic simulation experiment device
具體方法如下：將截取好的HDPE管放置于簡(jiǎn)易裝置上，并在管壁上分別附著疏水內(nèi)層和阻垢外層。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的觀察，分析管壁附著涂層的粗糙度和厚度變化，評(píng)估在水流沖刷作用下，含有疏水內(nèi)層和阻垢外層管壁的損耗情況。
① 粗糙度測(cè)量。使用高精度便攜式粗糙度儀檢測(cè)涂層（疏水內(nèi)層和阻垢外層）在模擬期內(nèi)的粗糙度變化，以評(píng)估在水流沖刷下，含疏水內(nèi)層和阻垢外層管材的粗糙度變化。
② 厚度測(cè)量。使用PosiTector 200超聲波涂層測(cè)厚儀檢測(cè)涂層（疏水內(nèi)層和阻垢外層）的HDPE管段表面的厚度變化，以評(píng)估在水流沖刷下，含疏水內(nèi)層和阻垢外層管材的損耗情況。
通過(guò)檢測(cè)得到的表面粗糙度和厚度損耗，根據(jù)式（4）計(jì)算雙層阻垢疏水的理論耐久時(shí)長(zhǎng)（d）值。

(4)
式中，d為理論耐久時(shí)長(zhǎng)，d。
（2）Ansys fluent軟件模擬
根據(jù)所依托工程排水管道管材的實(shí)際情況，利用Ansys fluent軟件仿真模擬一截長(zhǎng)度為6 m的?110 mm PE雙壁波紋管（圖10），其外徑為110 mm，壁厚為7 mm。該管材的密度范圍在0.91~ 0.96 g/cm3，具備3%的環(huán)剛度。在（23±2）℃的條件下，管材和熔接接頭的拉伸強(qiáng)度均不低于20 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率至少為350%，縱向回縮率不超過(guò)3%，氧化誘導(dǎo)時(shí)間在200℃下不少于20 min[31]。管道的入口流速設(shè)定為0.2 m/s，流體由水和DPM顆粒（CaCO3）組成，其中顆粒的最大直徑為65.86 μm，最小直徑為16.13 μm，平均直徑為20.43 μm。管道（管長(zhǎng)6 m×0.00002315 m3/s）的流量為0.0001389 m3/s（流速、流量為實(shí)際工程測(cè)定，流量、流速可調(diào)）。
圖10   Ansys fluent管道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10   Ansys fluent pipe structural diagram
為評(píng)估雙層阻垢疏水涂層的實(shí)際耐久性，依據(jù)實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)中得到的粗糙度與厚度變化關(guān)系，仿真模擬管道在實(shí)際環(huán)境中的運(yùn)行變化。圖11所示為DPM侵蝕圖[32]，通過(guò)分析這些變化，計(jì)算管道的原始受損情況，并據(jù)此推算出平均磨損率。利用耐久時(shí)長(zhǎng)計(jì)算公式[式(5)]，預(yù)測(cè)這種涂層在該種粗糙度和厚度情況下能堅(jiān)持的最大模擬使用時(shí)長(zhǎng)。

(5)
式中，d為模擬耐久時(shí)長(zhǎng)，d；S為管道內(nèi)壁磨損表面積，m2；為疏水涂層厚度，m；ρ為涂層的密度（疏水內(nèi)層密度為1.07836 kg/cm3，阻垢外層密度為1.47322 kg/cm3），kg/m3；δ為磨損率，kg/(m2·s)。通過(guò)比較理論耐久時(shí)長(zhǎng)與模擬耐久時(shí)長(zhǎng)，判斷模型的預(yù)測(cè)誤差[式(6)]。一般而言，計(jì)算和仿真的誤差最大不超過(guò)20%，最佳誤差一般控制在5%以下。

(6)
圖11   DPM侵蝕率Fig.11   DPM erosion rate map

4 結(jié)果與討論

4.1 疏水內(nèi)層制備實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

4.1.1 材料組分確定
（1）溶劑揮發(fā)劑的確定
通過(guò)在PE方片表面觀察和光學(xué)顯微鏡下（10×/0.25）觀察結(jié)果可知（表5），第1組四氫呋喃與異丙醇發(fā)生混合時(shí)，表面疏水效果良好、光學(xué)顯微鏡下物質(zhì)分散均勻；第2組四氫呋喃與乙醇混合時(shí)雖然具有疏水效果，但在光學(xué)顯微鏡下存在物質(zhì)重疊且分布不均勻的情況；第3組四氫呋喃與甲酸混合時(shí)不具有疏水效果。因而選擇第1組作為溶劑揮發(fā)劑。

表5   溶劑揮發(fā)劑篩選Table 5   Solvent volatile screening


在確定溶劑揮發(fā)劑為異丙醇后，確定稀釋劑與溶劑揮發(fā)劑配比，通過(guò)表6確定大致范圍，可知第1組材料均勻分布；第2組材料同時(shí)存在均勻分布和堆積情況；第3組材料堆積現(xiàn)象明顯，排除。在1~2組范圍內(nèi)進(jìn)行精確用量，通過(guò)用接觸角測(cè)量?jī)xCA500測(cè)量滾動(dòng)角大小（表7），得出當(dāng)四氫呋喃∶異丙醇 = 5∶6時(shí)，液滴滾動(dòng)速度最佳，故選擇此用量配比。

表6   篩選稀釋劑與溶劑揮發(fā)劑配比（一）Table 6   Screening diluent and solvent volatile ratio（Ⅰ）


表7   篩選稀釋劑與溶劑揮發(fā)劑配比（二）Table 7   Screening diluent and solvent volatile ratio（Ⅱ）


（2）界面活性劑的確定
設(shè)置兩組平行實(shí)驗(yàn)，分別滴加硅烷偶聯(lián)劑和鈦酸酯偶聯(lián)劑約0.05 ml于兩組配制好的混合溶液中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表8所示。第1組靜置24 h后具備優(yōu)異疏水性能，并可長(zhǎng)期保持；第2組僅在3 h內(nèi)具有優(yōu)異的疏水性能，隨后疏水性能逐漸衰減，24 h后減弱至完全沒(méi)有疏水性能。因此，選擇硅烷偶聯(lián)劑為界面活性劑。

表8   篩選界面活性劑Table 8   Screening interface active agent


（3）增稠增強(qiáng)劑用量的確定
如表9所示，通過(guò)調(diào)整納米二氧化硅的含量來(lái)確定其最佳用量，并結(jié)合表面觀察法和光學(xué)顯微鏡進(jìn)行分析。第1組，材料分布均勻且分散，添加的增稠增強(qiáng)劑過(guò)少；第2組，材料分布均勻，無(wú)明顯凹凸紋理；第3~5組，材料重疊和堆積情況依次明顯。能夠確定當(dāng)納米二氧化硅含量為0.1 g時(shí)，疏水材料表面物質(zhì)分散均勻且無(wú)黏結(jié)現(xiàn)象，沒(méi)有明顯的凹凸紋理，更有利于液滴滾動(dòng)不停留于接觸面，故選擇0.1 g的納米二氧化硅為增稠增強(qiáng)劑含量。

表9   確定最佳納米填充劑用量Table 9   Determine the optimal nano filler dosage


4.1.2 疏水內(nèi)層性能檢驗(yàn)
在室溫下，將0.1 g的納米二氧化硅添加到5 ml的四氫呋喃和6 ml的異丙醇混合溶液中均勻攪拌5 min，隨后添加0.05 ml的硅烷偶聯(lián)劑并攪拌5 min，加入1 g的RTV-2硅橡膠攪拌10 min后，滴加0.02 ml的固化劑，將混合溶液在室溫下攪拌10 min后附著至PE方片表面。靜置24 h后，測(cè)得接觸角為130.563°，滾動(dòng)角為8.110°（圖12），表明疏水內(nèi)層具有優(yōu)異的疏水性能。
圖12   疏水內(nèi)層表面接觸角的測(cè)量Fig.12   Hydrophobic layer detection

4.2 阻垢外層制備實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

4.2.1 阻垢溶劑成分的選擇結(jié)果
（1）成分確定結(jié)果
初期單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13(a)、(b)，氨基磺酸、水解聚馬來(lái)酸酐和EDTA的預(yù)防結(jié)晶效果隨著投加量的增加而顯著增強(qiáng)；如圖13(c)，隨著PEG和PVP的投加量增加，其預(yù)防結(jié)晶效果并未顯著改善，因此被排除。
圖13   阻垢劑篩選情況Fig.13   Screening of scale inhibitors
（2）響應(yīng)面法驗(yàn)證結(jié)果
①響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。依據(jù)Box-Behnke實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，同時(shí)結(jié)合單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取對(duì)碳酸鈣的結(jié)晶量影響較大的3個(gè)因素：EDTA（A）、水解聚馬來(lái)酸酐（B）和氨基磺酸（C），各取3個(gè)水平分別記為水平-1、0、1，進(jìn)行因素水平共17個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)曲面分析實(shí)驗(yàn)，并運(yùn)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而得到最佳工藝配方（表10、表11）。

表10   三因素水平響應(yīng)曲面分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 10   Three factor horizontal response surface analysis experimental design


表11   響應(yīng)曲面優(yōu)化碳酸鈣的結(jié)晶量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 11   Experimental design and results of response surface optimization for calcium carbonate crystallization


通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次回歸方程分析，將響應(yīng)變量與實(shí)驗(yàn)變量聯(lián)系起來(lái)。遵循二階多項(xiàng)式方程，運(yùn)用Design expert 13數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)表11實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，設(shè)EDTA、水解聚馬來(lái)酸酐、氨基磺酸分別為A、B、C，以碳酸鈣的結(jié)晶量為響應(yīng)值進(jìn)行多元回歸擬合，得到如下二次多項(xiàng)回歸方程：

(7)
以碳酸鈣的結(jié)晶量為響應(yīng)值進(jìn)行多元回歸擬合，回歸模型系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表12。

表12   碳酸鈣的結(jié)晶量模型及回歸系數(shù)的回歸分析結(jié)果Table 12   The results of regression analysis of calcium carbonate crystal volume model and regression coefficient

注：P ＜ 0.0001為極顯著，用**表示，P ＜ 0.05為顯著，用*表示，P ＞ 0.05為不顯著，用ns表示；F 值的大小是評(píng)價(jià)各變量對(duì)響應(yīng)值影響程度的重要指標(biāo)，F 值越大，表明有關(guān)模型分量對(duì)響應(yīng)影響貢獻(xiàn)度越高。


進(jìn)一步對(duì)該模型及回歸系數(shù)進(jìn)行回歸分析，從表12可以看出該回歸模型P ＜ 0.0001（極顯著），其失擬項(xiàng) P = 0.5716 > 0.05（不顯著），說(shuō)明模型擬合程度良好，可以對(duì)回歸方程相應(yīng)的回歸值進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)模型回歸系數(shù)R2 = 0.9884，調(diào)節(jié)后的R2 = 0.9735，表明97.35%的數(shù)據(jù)可用該模型解釋，說(shuō)明方程可靠性較高。
顯著性檢驗(yàn)概率P < 0.05時(shí)，揭示了該變量對(duì)響應(yīng)值影響顯著，具有數(shù)理統(tǒng)計(jì)意義。通過(guò)分析相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，一次項(xiàng)EDTA、水解聚馬來(lái)酸酐、氨基磺酸對(duì)碳酸鈣的結(jié)晶量均具有極顯著影響（P< 0.0001），分析各因素的主效應(yīng)關(guān)系為：C > A > B，即氨基磺酸 >EDTA > 水解聚馬來(lái)酸酐。其二次項(xiàng)交互作用AC 對(duì)碳酸鈣的結(jié)晶量具有極顯著的影響（P < 0.05），AB、BC 對(duì)碳酸鈣的結(jié)晶量的影響不顯著（P > 0.05）。
失擬項(xiàng)的P 值不顯著，說(shuō)明方程擬合程度較好。預(yù)測(cè)值R2為0.9884，調(diào)整R2為0.9735，差值小于0.2，說(shuō)明實(shí)際值與預(yù)測(cè)值具有較高的相關(guān)性，如圖14所示。
圖14   阻垢效果實(shí)際值與預(yù)測(cè)值關(guān)系Fig.14   Relationship between actual value and predicted value of scale inhibition effect
②各因素的交互作用。EDTA（A）、水解聚馬來(lái)酸酐（B）、氨基磺酸（C）對(duì)碳酸鈣的結(jié)晶量的影響如圖15所示。
圖15   各因素的3D曲面圖和等高線圖Fig.15   3D surface and contour maps for each factor
如圖15(a)所示，AB交互曲面中，碳酸鈣的結(jié)晶量的變化坡度隨EDTA、水解聚馬來(lái)酸酐的增加呈先降低后增加的趨勢(shì)。僅考慮二者交互作用的條件下，當(dāng)EDTA為3.75~4.00 ml、水解聚馬來(lái)酸酐在2.75~3.00 ml范圍內(nèi)時(shí)，碳酸鈣的結(jié)晶量達(dá)到最小值，且碳酸鈣的結(jié)晶量隨EDTA的變化坡度大于水解聚馬來(lái)酸酐，說(shuō)明EDTA對(duì)碳酸鈣的結(jié)晶量的影響大于水解聚馬來(lái)酸酐。曲面圖與表12方差分析的結(jié)果也是相符合的。
如圖15(b)所示，AC交互曲面中，碳酸鈣的結(jié)晶量的變化坡度隨氨基磺酸的增加呈降低的趨勢(shì)。當(dāng)氨基磺酸較低時(shí)，碳酸鈣的結(jié)晶量隨EDTA的增加呈先降低后平緩的趨勢(shì)，當(dāng)氨基磺酸較高時(shí)，碳酸鈣的結(jié)晶量隨氨基磺酸的增加呈降低的趨勢(shì)，說(shuō)明EDTA和氨基磺酸存在顯著的交互作用。僅考慮二者交互作用的條件下，當(dāng)EDTA為3.75~4.00 ml、氨基磺酸為0.55~0.60 g范圍內(nèi)，碳酸鈣的結(jié)晶量達(dá)到最小值，且碳酸鈣的結(jié)晶量隨氨基磺酸的變化坡度大于EDTA，說(shuō)明氨基磺酸對(duì)碳酸鈣的結(jié)晶量的影響大于EDTA。曲面圖與表12方差分析的結(jié)果也是相符合的。
如圖15(c)所示，BC交互曲面中，碳酸鈣的結(jié)晶量的變化坡度隨氨基磺酸、水解聚馬來(lái)酸酐的增加呈降低的趨勢(shì)。僅考慮二者交互作用的條件下，當(dāng)水解聚馬來(lái)酸酐為2.75~3.00 ml、氨基磺酸為0.55~0.60 g范圍內(nèi)，其碳酸鈣的結(jié)晶量取得最小值，且碳酸鈣的結(jié)晶量隨氨基磺酸的變化坡度大于水解聚馬來(lái)酸酐，說(shuō)明氨基磺酸對(duì)碳酸鈣的結(jié)晶量的影響大于水解聚馬來(lái)酸酐。曲面圖與表12方差分析的結(jié)果也是相符合的。
③驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)回歸方程模型，以碳酸鈣的結(jié)晶量最小值為優(yōu)化目標(biāo)，得到預(yù)測(cè)的最優(yōu)條件為：EDTA為4.0 ml、水解聚馬來(lái)酸酐為3.0 ml、氨基磺酸為0.575 g。根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)際條件，將條件修正為EDTA為4.0 ml、水解聚馬來(lái)酸酐為3.0 ml、氨基磺酸為0.6 g（即體積比為4∶3∶0.3）。在此最優(yōu)條件下經(jīng)3次平行實(shí)驗(yàn)，得到其碳酸鈣的結(jié)晶量為（0.0124±0.0014） g，與預(yù)測(cè)總碳酸鈣的結(jié)晶量為0.011 g相差在5%范圍內(nèi)，證實(shí)了預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值之間的良好相關(guān)性。
4.2.2 膠材料成分的確定
計(jì)算聚乙烯醇與殼聚糖和海藻酸鈉混合時(shí)的斷裂伸長(zhǎng)率[根據(jù)式（1）計(jì)算]，發(fā)現(xiàn)聚乙烯醇與殼聚糖混合時(shí)其斷裂伸長(zhǎng)率均不超過(guò)50%，缺乏具備良好膠性能的可能性，故排除（表13）；與海藻酸鈉混合時(shí)具有更穩(wěn)定的相容性和溶解性，不會(huì)造成額外的結(jié)晶負(fù)擔(dān)，并且斷裂伸長(zhǎng)率接近100%（表14）。能夠發(fā)現(xiàn)聚乙烯醇與海藻酸鈉在第1~2組范圍內(nèi)存在最優(yōu)性能，故在此范圍內(nèi)進(jìn)行更精確的配比篩選（表15），可知當(dāng)聚乙烯醇∶海藻酸鈉=1.0∶0.1時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率最大，即1.0∶0.1為此膠材料的最佳配比。

表13   聚乙烯醇與殼聚糖混合膠材料Table 13   Mixed rubber materials of polyvinyl alcohol and chitosan


表14   聚乙烯醇和海藻酸鈉混合膠材料（一）Table 14   Polyvinyl alcohol and sodium alginate mixed rubber material（Ⅰ）


表15   聚乙烯醇和海藻酸鈉混合膠材料（二）Table 15   Polyvinyl alcohol and chitosan mixed rubber material（Ⅱ）


因此，膠材料選擇海藻酸鈉和聚乙烯醇[型號(hào)1788，規(guī)格100目（0.15 mm）]以1.0∶0.1配制。將篩選好的阻垢溶劑與膠材料進(jìn)行物理混合改性，得到均勻的黃色黏稠液體，即為制備好的阻垢外層材料。

4.3 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本研究旨在通過(guò)雙層阻垢疏水涂層靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)證明這種形式的涂層具備應(yīng)用的可行性，后通過(guò)單層（靜態(tài)+動(dòng)態(tài)）實(shí)驗(yàn)評(píng)估在含有疏水界面管道和阻垢界面管道的預(yù)防結(jié)晶和耐久性能方面是否優(yōu)于原始管道。在單層靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)精確稱量在溶液中易結(jié)晶離子完全發(fā)生反應(yīng)時(shí)，三種管道中過(guò)濾后的垢量，對(duì)比分析它們?cè)陬A(yù)防結(jié)晶方面的效果。在單層動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)特定裝置和軟件進(jìn)行仿真模擬，以模擬水流在動(dòng)態(tài)條件下的流動(dòng)特性。通過(guò)這種方法，能夠精確測(cè)量不同管道界面的粗糙度和厚度變化。這一實(shí)驗(yàn)的目的是評(píng)估管道材料在長(zhǎng)期運(yùn)行中是否能夠保持其耐久性能，從而確認(rèn)其在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性和優(yōu)勢(shì)。
4.3.1 雙層阻垢疏水涂層靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖16所示為第10 d、第20 d和第30 d的模擬情況，此時(shí)的PE方片表面疏水涂層已經(jīng)具備一定的物理涂層性能，能夠預(yù)防紅色墨水侵入，并且在第30 d能夠看到有部分疏水內(nèi)層表露，且沒(méi)有紅色浸染，表明疏水內(nèi)層與阻垢外層能夠分別發(fā)揮各自的性能，分步預(yù)防結(jié)晶體的形成。
圖16   測(cè)試外層藥效發(fā)揮時(shí)間Fig.16   Test the outer layer for duration of action
隨后對(duì)PE方片表面疏水內(nèi)層進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)疏水內(nèi)層沒(méi)有發(fā)生脫落現(xiàn)象，檢測(cè)其接觸角為130.518°，滾動(dòng)角為8.096°（圖17）。與4.1.2節(jié)中疏水內(nèi)層檢測(cè)結(jié)果相差甚微，可以得出疏水內(nèi)層沒(méi)有受到阻垢外層附著的影響，仍能夠穩(wěn)定發(fā)揮疏水效果。
圖17   疏水內(nèi)層接觸角、滾動(dòng)角測(cè)量Fig.17   Hydrophobic inner layer contact angle and rolling angle measurement
根據(jù)雙層靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)可知，該雙層阻垢疏水涂層具有優(yōu)異的疏水性能和阻垢性能，并且阻垢外層對(duì)疏水內(nèi)層不會(huì)產(chǎn)生影響，疏水內(nèi)層仍能夠穩(wěn)定發(fā)揮疏水性能。基于雙層靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)可知，這種雙層涂層形式能夠發(fā)揮一定的效果，因此分別對(duì)單層涂層進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
4.3.2 單層靜態(tài)性能測(cè)試結(jié)果
圖18(a)為原始管材內(nèi)部情況，圖18(b)為涂有疏水內(nèi)層界面的管材內(nèi)部情況，圖18(c)為涂有阻垢外層界面的管材內(nèi)部情況。
圖18   三種不同界面的管材的內(nèi)部成垢情況Fig.18   Internal scaling of pipes with three different interfaces
通過(guò)30 d的靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)，原始管材結(jié)晶現(xiàn)象明顯[圖18(a)]，過(guò)濾時(shí)已發(fā)現(xiàn)部分結(jié)晶體黏附于管壁，濾后結(jié)晶垢量明顯少于疏水界面和阻垢界面；疏水內(nèi)層能夠有效抑制管材表面結(jié)晶物的形成，同時(shí)發(fā)揮穩(wěn)定的疏水性能[圖18(b)]；涂有阻垢外層界面的管材內(nèi)部表面仍留有部分阻垢外層[圖18(c)]，表明阻垢外層具有緩釋性。
通過(guò)比較原始管材與兩種不同界面管材在結(jié)晶量上的差異（表16），判斷在實(shí)驗(yàn)室模擬條件下，疏水內(nèi)層的防結(jié)晶率以及阻垢外層的阻垢率。

表16   實(shí)驗(yàn)室模擬結(jié)晶情況Table 16   Laboratory simulation of crystallization


計(jì)算結(jié)果表明，該雙層阻垢疏水涂層的疏水內(nèi)層防結(jié)晶率為82.30%[根據(jù)式（2）計(jì)算]，阻垢外層阻垢率為93.27%[根據(jù)式（3）計(jì)算]。含有疏水內(nèi)層的界面相比于原始界面，結(jié)晶量減少了69.88%；而含有阻垢外層的界面在原始界面管道中的結(jié)晶量則減少了83.67%。
由此可見(jiàn)，疏水內(nèi)層有效防止了結(jié)晶物在內(nèi)壁表面的沉積，并具備一定的自清潔性能，使得結(jié)晶物更易隨水流被帶走；而阻垢外層則在防止結(jié)晶物形成方面表現(xiàn)突出，顯著減少了管道內(nèi)部的結(jié)晶生成。因此，單層靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)中，兩種涂層展現(xiàn)出優(yōu)異的疏水性能和阻垢性能，可用于后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究。
4.3.3 單層動(dòng)態(tài)性能測(cè)試結(jié)果
（1）裝置模擬結(jié)果
①粗糙度結(jié)果。用高精度便攜式粗糙度儀測(cè)量疏水內(nèi)層和阻垢外層粗糙度變化（表17、表18）。

表17   涂覆有疏水內(nèi)層的管壁粗糙度測(cè)量（30 d）Table 17   Wall roughness measurement with a hydrophobic inner coating （30 d）


表18   涂覆有阻垢外層的管壁粗糙度測(cè)量（30 d）Table 18   Wall roughness measurement with a hydrophobic inner coating （30 d）


如表17所示，原始管材內(nèi)壁的粗糙度為11.920 μm，而涂有疏水內(nèi)層的管材內(nèi)壁粗糙度為7.303 μm。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)揭示了管材表面粗糙度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)：在最初的0~10 d，粗糙度顯著下降至6.864 μm，這是由于初始磨損和缺陷填充，提高了表面平滑度；接下來(lái)的10~20 d，粗糙度進(jìn)一步減少至6.707 μm，減小幅度有所減緩，這是由于固化和保護(hù)膜的形成，形成了穩(wěn)定的屏障；最后，在20~30 d，粗糙度保持在相對(duì)穩(wěn)定的6.645 μm水平，表明表面特性趨于穩(wěn)定，反映了管材在使用過(guò)程中性能的增強(qiáng)和耐用性的提升。
如表18所示，原始管材內(nèi)壁的粗糙度為11.920 μm，涂有阻垢外層的粗糙度為4.214 μm，后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間變化為4.212 μm，因阻垢外層為膠材料成分，表面較光滑且均勻，不易發(fā)生變化，僅考慮在這兩種粗糙度下涂層的耐久情況。
②厚度結(jié)果。用超聲波測(cè)量?jī)x測(cè)量疏水內(nèi)層和阻垢外層厚度變化，判斷損耗情況（表19、表20）。

表19   涂覆有疏水內(nèi)層的管壁厚度測(cè)量（30 d）Table 19   Wall thickness measurement with a hydrophobic inner coating （30 d）


表20   涂覆有阻垢外層的管壁厚度測(cè)量（30 d）Table 20   Wall thickness measurement with scale resistant coating （30 d）


如表19所示，疏水涂層在隧道排水管道中的損耗呈現(xiàn)出先減緩后穩(wěn)定的趨勢(shì)，并且30 d的厚度變化率為7.00%。在0~10 d，厚度降至34.21 μm，損耗2.21 μm，占初始厚度的6.07%；10~20 d，厚度降至33.93 μm，損耗減緩至0.28 μm，顯示材料穩(wěn)定性提高；20~30 d，厚度降至33.87 μm，損耗僅為0.06 μm，幾乎可以忽略。這表明材料初期損耗較大，但隨著時(shí)間推移，損耗速度顯著減緩，最終趨于穩(wěn)定。
疏水內(nèi)層耐久時(shí)長(zhǎng)d1根據(jù)式（4）計(jì)算，為428.47 d。
如表20所示，在30 d的動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)中，阻垢外層的厚度從0 d的987.30 μm減少至30 d的830.23 μm，顯示出材料的損耗，并且30 d的厚度變化率為15.91%。在0~10 d內(nèi)，材料厚度從987.30 μm降至867.51 μm，減少了119.79 μm，這一顯著減少主要是由于活性成分在高濃度和飽和度下的快速釋放，以及管道內(nèi)沖刷作用的影響。隨著時(shí)間的推移，材料濃度降低，釋放速率也逐漸減緩；在10~20 d，材料厚度減少至843.72 μm，減幅為23.79 μm，顯示出材料緩釋效果的穩(wěn)定性。這表明材料的釋放機(jī)制已經(jīng)轉(zhuǎn)向更穩(wěn)定的狀態(tài)，有效成分均勻釋放，形成了持續(xù)的低濃度環(huán)境，有利于維持阻垢效果；在20~30 d，材料厚度降至830.23 μm，相比前一階段僅減少了13.49 μm，表明活性成分幾乎已經(jīng)完全釋放，剩余成分以極慢的速率繼續(xù)釋放，保持了膠材料的穩(wěn)定性能和管道的防護(hù)效果。
阻垢外層耐久時(shí)長(zhǎng)d2根據(jù)式（4）計(jì)算，為188.57 d。根據(jù)厚度變化情況，這種雙層涂層的耐久時(shí)長(zhǎng)為。
（2）Ansys fluent軟件模擬結(jié)果
Ansys fluent軟件模擬疏水內(nèi)層和阻垢外層結(jié)果如表21、表22所示。

表21   Ansys fluent軟件模擬疏水內(nèi)層耐久時(shí)長(zhǎng)Table 21   Ansys fluent software simulates the duration of coating


表22   Ansys fluent軟件模擬阻垢外層耐久時(shí)長(zhǎng)Table 22   Ansys fluent software simulates the duration of coating


根據(jù)模擬結(jié)果可知，該種雙層阻垢疏水涂層的耐久時(shí)長(zhǎng)為 d。
誤差率根據(jù)式（6）計(jì)算，為2.87%，低于5%，驗(yàn)證了理論值與模擬值的一致性。通過(guò)Ansys fluent仿真模擬，可以預(yù)測(cè)涂層在不同環(huán)境變化下的耐久時(shí)長(zhǎng)。涂層厚度每增加0.01 mm，阻垢性能可延長(zhǎng)3~5 d。具體來(lái)說(shuō)，1.0237 mm厚的涂層（包含0.9873 mm和0.03642 mm兩層）能保持617 d的預(yù)防結(jié)晶作用。這是因?yàn)檩^厚的涂層提供了更強(qiáng)的物理屏障，減緩了污垢和水分子的穿透，為保持附著力和力學(xué)性能，涂層厚度需適度控制。但實(shí)驗(yàn)室模擬和軟件模擬僅考慮的是在一種平均磨損狀態(tài)下某種粗糙度在一定厚度能堅(jiān)持的耐久時(shí)長(zhǎng)，因此，應(yīng)依據(jù)實(shí)際工程需求和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來(lái)確定最佳涂層厚度，以平衡性能與穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

本文基于隧道結(jié)晶中以方解石型碳酸鈣為主要成分的結(jié)晶體，研發(fā)了一種新型雙層阻垢疏水涂層，旨在解決因隧道排水管道結(jié)晶問(wèn)題所引發(fā)的襯砌開裂、漏水等問(wèn)題。主要結(jié)論如下。
（1）疏水內(nèi)層選擇納米二氧化硅為增稠增強(qiáng)劑、異丙醇為稀釋劑、四氫呋喃為溶劑揮發(fā)劑、硅烷偶聯(lián)劑為界面活性劑和RTV-2硅橡膠進(jìn)行交聯(lián)，阻垢外層材料選擇 EDTA、水解聚馬來(lái)酸酐和氨基磺酸，由疏水內(nèi)層和阻垢外層所組成的雙層阻垢疏水涂層具有優(yōu)異的疏水性能和阻垢性能。
（2）經(jīng)過(guò)30 d的單層靜態(tài)性能測(cè)試，均表現(xiàn)出可觀的疏水性能和耐久性能，并且防結(jié)晶率達(dá)到82.30%，阻垢率達(dá)到93.27%，具有優(yōu)異的預(yù)防結(jié)晶體形成的性能；經(jīng)過(guò)30 d的單層動(dòng)態(tài)性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)疏水內(nèi)層能有效改善管壁的高粗糙度，并且隨著水流沖刷，粗糙度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，疏水內(nèi)層厚度變化率為7.00%，阻垢外層的厚度變化率為15.91%，在一定時(shí)期內(nèi)能夠維持粗糙度和厚度的穩(wěn)定。
（3）通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬和Ansys fluent 模擬的方式計(jì)算該雙層阻垢疏水涂層耐久性能時(shí)長(zhǎng)分別為617.04 d和634.72 d，誤差率為2.87%，具備應(yīng)用于實(shí)際工程的潛力。
雙層阻垢疏水涂層在隧道排水管道中的應(yīng)用具有延長(zhǎng)管道壽命和降低維護(hù)成本等優(yōu)勢(shì)。然而，耐久性、施工難度、環(huán)境適應(yīng)性及缺乏統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題仍然存在，制約了其工程化研究。因此，需要加強(qiáng)對(duì)該類涂層的研究與改進(jìn)，以提高其性能和適用性，滿足隧道排水系統(tǒng)對(duì)于抑制結(jié)晶體形成的需求。


Utility model relates to double - layer anti - scale and hydrophobic coating that inhibits crystal formation in tunnel drainage pipe

HU Jiawei WANG CongLIU Meijing

（School of Civil Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, Gansu, China）

Abstract: This study successfully developed a new double-layer scale-inhibiting hydrophobic coating, the purpose of which is to effectively inhibit the formation of crystals in tunnel drainage pipes. The coating is composed of nano-silica, sulfamic acid, hydrolyzed maleic anhydride and EDTA, and is designed as a hydrophobic inner layer and a scale-resistant outer layer. The function of the hydrophobic inner layer is to prevent the crystallization particles from adhering to the inner wall of the pipe, while the scale inhibition outer layer protects the inner layer and prevents the formation of crystals. Through the static and dynamic simulation experiments in the laboratory, it is found that the anti-crystallization rate of the hydrophobic inner layer is stable over 82%, and the scale inhibition rate of the outer layer is stable over 93%. In the dynamic simulation experiment, the theory predicts that the hydrophobic inner layer can maintain 428.47 d, the scale inhibition outer layer can maintain 188.57 d, and the total of the two can maintain 617.04 d. Through simulation calculations using Ansys fluent software, the results show that the double-layer scale and hydrophobic coating can maintain its performance for up to 634.72 d. The error rate between the verification experiment and the simulation results is 2.87%, it is proved that the simulation model is consistent with the coating performance and can adapt to different flow and velocity conditions, which provides a reference for simulation under various working conditions. This double-layer coating not only realizes the dual functions of hydrophobic and scale inhibition, but also shows excellent durability and slow release performance, which has a remarkable effect on inhibiting the formation of crystals in tunnel drainage pipes, providing an innovative solution for the maintenance of tunnel drainage systems.
Keywords: tunnel drainage system；crystal blockage；scale inhibitor；silica；hydrophobic coating；simulation

通訊作者及第一作者：胡家瑋（1982—），男，博士，副教授，hujiawei@lut.edu.cn





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